软件无线电技术在广播发射机中的应用.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（下）-22-信 息 技 术随着无线广播通信事业在全球范围内的快速发展，无线频率空间上的竞争日趋激烈。原有的固定带宽或固定频率点位的通信方式，不仅面临频率争夺，也面临多方干扰的实际困难1。在这样的情况下，无线广播通信亟需一种更灵活的技术方式完成通信过程。基于这种考虑，软件无线电技术应用而生。软件无线电技术利用软件手段，完成采样、调制和编码等技术工作，完全打破对于硬件设备的单纯依赖2。当然，软件无线电技术不是完全脱离硬件，而是在同一套硬件系统下，可以更灵活的定义通信模式和配置频率点与带宽。与硬件无线电技术相比，软件无线电技术在更多的硬件设备上具有通用性，针对不同应用环境具有更大的灵活性3。在本文的研究工作中，将依托软件无线电技术背景，针对广播通信进行发射机的相关设计和测试。1 基于软件无线电的广播发射机典型结构分析发射机是无线广播通信的重要组成部分。由于发射机只负责向外发射有用信号，因此其中不含有其他噪声信号，发射机的处理难度比接收机降低了，其功能和结构的设计比接收器简单。1.1 超外差结构无线广播发射机有一种超外差结构，如图 1 所示。这种结构的发射器主要工作在模拟域内，因此一开始就设置了D/A 转换装置。然后通过中频滤波装置对噪声和杂质进行去除。再次，与震荡信号进行混频处理。最终经过功放放大，从天线向外发出。超外差式的发射机结构有 2 个优点。1）对镜像效应有比较强的抵抗作用。2）对中频滤波器的品质要求不高，个别情况下甚至可以放弃使用中频滤波器。1.2 直上变结构直上变结构是发射机的另一种典型结构，具体的结构形式如图 2 所示。直上变结构是直接将原始信号变频至预定频段，这样就直接规避了镜像效应的产生。从图 2 的具体结构上看，整个处理过程分为 3 个步骤：首先，进行上变混频；其次，进行功率放大；最后，利用滤波器进行去噪。这种结构的无线发射机也有一些缺点，其中最突出的问题就是串扰问题。这种串扰是双向的：既有本地信号向输出信号发出的串扰，又有有用信号向震荡器的串扰。2 基于软件无线电的广播发射机的参数分析根据各参数的设计要求，这就需要其对不同的信号具有较高的普适接收性能、较高的分辨性能以及较高的保真能力等。因此，对其性能影响最关键的技术参数莫过于灵敏度、噪声因子、动态跨度和互调参数，下面逐一加以分析。2.1 灵敏度一个高质量的广播发收过程可能要面对不同频率、幅度的信号。当有用信号的自身幅度很小，噪声信号幅度又很大时，有用信号就变成了微弱信号。这时，就需要接收器具有较高的灵敏度，才能从中分辨出有用信号并将其采集出来。在无线广播通信领域，灵敏度参数一般定义为公式（1）的形式。APPunit=10log（1）式中：A 为灵敏度；P 为信号功率；Punit为单位功率。软件无线电技术在广播发射机中的应用王磊（国家广播电视总局无线电台管理局，北京 100045）摘 要：针对无线广播通信的技术要求，在软件无线电技术背景下完成了发射机的设计。首先，对比了广播通信领域常见的两种发射机结构，超外差结构和直上变结构。其次，对发射机设计所需的参数进行分析，包括灵敏度、噪声因子、频率区间、发射功率和发射效率。再次，进行了发射机的结构设计，这是一种双变频超外差结构。最后，对这种发射机的结构进行变频性能分析。它可以完成3种形式的变频，体现了软件无线电技术的灵活性。关键词：无线通信；广播通信；软件无线电；性能测试中图分类号：TN923文献标志码：A图 1 无线广播发射机的超外差结构中国新技术新产品2024 NO.3（下）-23-信 息 技 术灵敏度参数主要受到通信信道固有热噪声、震荡器本震噪声以及放大器本底噪声的影响，此外，装置的失真度对灵敏度也有一定的制约。2.2 噪声因子噪声因子和噪声系数是信号处理领域常用的参数指标，对于无线广播通信的接收器来说，这 2 个参数也非常重要。噪声因子的一般定义格式是输入信噪比和输出信噪比的商，如公式（2）所示。FSNRSNRSNSNinoutiioo=（2）噪声系数与噪声因子之间有直接对应关系，如公式（3）所示。NF=10logF（3）在一个电气装置中，每个元件都会有其固有噪声。因此，装置对应的总体噪声是各元器件噪声以某种方式组合在一起的效果。这体现在噪声系数上，就表现出装置总的噪声系数和各元器件噪声系数的关系。如果设一组元器件级联在一起，并且每个元器件都可以用一个二端网络进行模拟，那么装置形成的总体噪声系数如公式（4）所示。FFFGFGniin?1211111（4）式中：Fi、Gi分别为每级的噪声因子和增益。在无线广播通信装置中，还要特别注意灵敏度和噪声系数之间的关系。一般来讲，为了保证灵敏度高，必须要尽可能地降低噪声系数。在进行实际设计的过程中，必须充分考虑发射信号的频率区间、装置的发射功率、装置的发射效率和装置的可靠性等技术参数。2.3 频率区间频率直接决定了其他通信网络、通信设备对此信号接收的效果和区间，是无线广播通信装置发射机的关键参数。一般来讲，一个发射机的信号频率区间，必须设置在国家相关部门允许的范围内。如果出现特殊情况，就需要向相关部门申请特殊频段。在遵循以上原则的基础上，当设置频率区间时，中心频率也应该尽可能高，以便获取更宽的通频带。2.4 发射功率发射功率是决定信号能否有效发射的重要参数。发射功率过高不仅会造成装置能耗加剧，也会对周围其他设备形成干扰。发射功率过低，会降低通信品质，严重时无法有效发送信号。因此，发射功率这一参数应该是在充分考虑距离远近、调制方案、信噪比以及周边环境等因素的前提下，并且在保证信号能够正常发送的情况下，尽可能地使用低的发射功率。2.5 发射效率发射效率更多地反映了无线广播通信装置发射器的能耗情况，是国家推出节能减排、可持续发展等基本国策后的重要技术参数。从现有的情况看，这一参数一般用输出功率和直流功率之商来表示，如公式（5）所示。EPPfoutVDD=（5）2.6 可靠性无线广播通信装置发射器的可靠性主要是指其长时间处于正常工作情况下的稳定性。一般又可以分解为2 个子问题，即热稳定性和频率稳定性。当装置长时间工作时，各器件的温度随之升高，也使整个发射环境的整体温度升高。在这种情况下，装置还能否正常工作是关键。因此，在设计发射机的过程中应该考虑散热通道和散热设备的配置。频率稳定性是指发射器能否使信号发射稳定在一个范围内，而不出现大的变化。3 发射机的结构设计及变频性能分析与接收器相比，发射机的设计相对容易。本文结合上一章提出的技术参数需求，协同接收器的设计方案，发射器设计也采用双变频超外差结构，如图 3 所示。为了验证发射机的结构设计是否合理以及确定如何在各级元器件上进行技术指标参数分配，与接收器一样，在SCW仿真平台下进行测试。仿真进程和测试结果同接收器类似，本文为无线通信装置所设计的发射器的结构是合理的，可以在任务预期目标内进行指标分解，在既定频率范围内发射信号。软件无线电技术要求广播通信具有最大的灵活性，为此，考察了本文设计的发射机所具有的变频能力。这里重点测试了信号发射过程中的 3 种变频性能。3.1 一次变换到高中频区域图 4 是一次变换到高中频区域的变频方案。在该方案中，有关信号处理部分相对简单，但会增加模数转换的开销，图 2 直上变发射机结构中国新技术新产品2024 NO.3（下）-24-信 息 技 术因此一般在数字中频接收器中使用。这种变频方案的优点如下，因为镜像信号和有用信号的频率跨度大，对于镜像效应的抑制无须过多的带宽。3.2 一次变换到低中频区域一次变换到低中频区域的方案如图 5 所示。从图 5 可以看出，这种方案中镜像信号与 RF 信号之间的频率跨度窄。因此，对于镜像效应的抑制效果不理想，对模数转换的要求也随之降低。3.3 两次变换到低中频区域两次变换到低中频区域是在一次变换到高中频区域后进行进一步处理，而实质上是方案一和方案二的优势互补。经过 2 次变频，可以有效地抑制镜像效应，还降低了装置对数模转换装置的条件要求。通过以上比较，本文在无线广播通信的发射机设计中，选择了两次变换到低中频区域的变频方案。4 结论软件无线电技术的出现，改进了硬件无线电不足之处，实现了无线广播通信更好的灵活性和通用性。在软件无线电的技术背景下，对广播通信的发射机进行结构设计。这种设计是在典型的超外差结构和直上变结构的基础上进行双变频超外差结构设计。通过这种结构设计可以实现3 种变频的灵活调整：一次变换到高中频区域，一次变换到低中频区域，两次变换到低中频区域。测试结果体现了软件无线电的灵活性特征。参考文献1 周烨楠.软件无线电在广播电视信号处理及相关方向的应用 J.中国新通信，2023，25（16）：93-95.2 王洪，陈祝明，孙清清.基于 USRP 和 GNU Radio 的软件无线电课程实验 J.实验科学与技术，2023，59（11）：330-332，360.3 席鹤鹏.关于数字广播电视系统中的软件无线电技术探究J.电子制作，2015，39（9）：101-107.图 3 本文的发射机结构方案图 5 一次变换到低中频区域频率（Hz）频率（Hz）幅度（dB）幅度（dB）图 4 一次变换到高中频区域频率（Hz）幅度（dB）幅度（dB）频率（Hz）